温控表面等离子共振系统及其应用

王少鹏,张洪艳,黄怀湘

(1.上海大学理学院,上海 200444;2.中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京 100190;3.北京服装学院北京市纺织纳米纤维工程技术研究中心服装材料研究开发与评价北京市重点实验室,北京 100029)

表面等离子共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是一种新兴的检测方法[1].SPR 传感器具有实时快速、无标记、高灵敏、定量检测物种相互作用的动力学过程,并获得动力学参数等优点,因而被广泛应用于生物医学、药物筛选、临床诊断、食品安全及环境污染等领域[2-5].目前商用SPR 设备很多,但价格昂贵.一些小型实用的SPR 可用于多种物种检测和相关光学性能的研究[6-8],但这些系统大部分只适用常温条件下的检测,这在某种程度上限制了系统的推广.

本课题组有多年SPR 实验系统开发及应用基础,将SPR 与激光共聚焦显微镜结合开发出首台激光扫描共聚焦表面等离子共振仪,实现了对抗原抗体结合过程、汞离子与DNA 作用、生物细胞与蛋白质的相互作用及小分子叶酸与生物细胞之间的相互作用过程的检测,达到了多种生物物种及其相互作用过程动力学参数的高灵敏检测[9-12],在此基础上对等离子检测技术进行开发.

本工作基于角度调制型SPR,建立了以钛合金结合帕尔贴半导体温控技术的SPR 实验装置,用25◦C 条件下乙醇水溶液浓度变化引起的SPR 信号变化确定了系统检测灵敏度为497.8◦/RIU(refractive index unit,单位折射率),实现了液晶分子5CB(4′-正戊基-4-氰基联苯)温变过程的检测.

1 角度调制型SPR 原理

SPR 是一种复杂的物理光学现象,当光线从光密介质入射到光疏介质,光线入射角大于某一特定角度时会发生全反射现象.若在两种介质中加入特定的金属膜,入射光在金属表面全反射时产生的消逝波会进入金属膜中,当进入金属膜的消逝波P 分量与金属膜自身的表面等离子波频率相等时,消逝波的光能会耦合到表面等离子波中,从而导致反射光强急剧减弱,在反射光谱中出现吸收峰,将反射光强度最低值对应的入射角称为共振角.当光疏介质折射率发生微弱变化时,对应吸收峰的位置也会发生明显变化[13].

表面等离子波中最常用的是Kretschmann 结构模型(见图1),当入射光透过棱镜入射到金属膜表面时,入射光圆波数为,其中,水平方向分量为kx=k sin θ=.根据麦克斯韦方程组和边界条件可以得出表面等离子体在x 轴的波矢为

图1 Kretschmann 结构Fig.1 Kretschmann structure

式中:ω 为入射光的角频率;c 为真空中光速;ε0,ε1,ε2分别为棱镜介电常数、金属膜介电常数和空气介电常数.当发生表面等离子体共振时,入射光波矢水平方向分量与表面等离子波在x 轴的波矢相等,kx=ksp,从而得到,可以看出共振角θspr是棱镜、金属膜和样品介电常数的函数,当棱镜和金属膜的介电常数确定后,共振角只与样品的介电常数有关,这样就可以实现对被测样品的介电常数的测量.

2 系统设计

本工作中SPR 系统主要由光学系统、温控装置和数据采集分析系统三部分组成,系统结构如图2(a)所示.在入射光路单元中,He-Ne 激光器发射的632.8 nm 的光经偏振片、衰减片和光阑,形成一准直的偏振光,经斩波器固定频率后入射到蓝宝石棱镜,斩波器频率为锁相放大器参考频率;在反射光路单元中,反射光由聚焦透镜聚焦在硅光电二极管,光信号转换成电信号后再经锁相放大器放大后输入NI 数据采集卡;在温控单元中,蓝宝石玻璃直角棱镜(折射率为1.70)和蓝宝石玻璃为基底的传感芯片一侧通过折射率匹配液相贴合,芯片另一侧镀有3.9 nm 铬和49 nm 金,图2(b)为SPR 系统实物.传感芯片与带有帕尔贴温控传感的钛合金材质样品池通过机械压合,使样品和金属膜充分接触,样品池两端分别有入液口和出液口.反射光路单元和温控单元分别集成在两个共周的转动平台上,入射光路单元固定.如图2(b)插图所示,温控装置由帕尔贴温控腔、散热片和风扇组成,温控装置体积小,可以通过直流电源对其供电,实现在18∼42◦C 范围内0.1◦C 的温度控制精度.数据采集卡获得的电信号经由Labview 编辑的控制和处理软件实现对数据的采集、存储和处理显示.

图2 SPR 系统Fig.2 SPR system

3 实验结果与分析

3.1 系统灵敏度

调整转台及光电探测器位置,使入射光线经过棱镜的中心轴线,并以此位置为零入射角.调整光线入射角的大小,记录不同入射角对应的反射光强度,图3(a)为入射角和反射光强度的关系,横坐标为入射光角度,纵坐标为反射光强信号,从左到右6 条曲线代表酒精浓度从10%逐渐增大到60%.可以看到,对于每一种溶液而言,随着入射光角度的增大,反射光强减小,到达最低点后,光强随着入射角的增大逐渐增大,曲线最低点对应的角度为在此浓度下的共振角.随着酒精浓度的增大,共振峰的角度也逐渐增大,在图3(a)中可以清楚地看到当酒精浓度由10%增大到60%时,共振角由58.1◦移到69.8◦.

角度调制型SPR 传感器灵敏度可定义为共振角变化量与待测酒精溶液折射率变化的比值,记为S.灵敏度的大小取决于棱镜材料的折射率,在固定温度下,与金属膜的介电常数以及入射光波长等有关,在棱镜材料和金属膜确定的情况下,S=dθ/dn[14].实验中用阿贝折射仪测量不同酒精浓度的折射率[15],在25◦C 下将不同浓度酒精溶液的折射率和图3(a)对应的共振角进行对比,得到图3(b),其中误差是经过3 次检测的平均值.在折射率和共振角平面内实心圆点代表不同浓度酒精溶液.由图3(b)可见,SPR 共振角与折射率存在线性关系,红色实线为线性拟合结果,斜率为传感仪器的灵敏度,由此得到SPR 传感系统的灵敏度为497.8◦/RIU.

图3 SPR 共振角和酒精溶液浓度的关系Fig.3 Relationship between refractive index and resonance angle of alcohol solution

3.2 5CB 乙醇溶液温变过程检测

在样品池中通入固定浓度的5CB 乙醇溶液,调节入射角至共振峰左侧曲线斜率最大时对应的位置,改变样品的温度,观察反射光强的实时变化.实验中10%,20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液测试角度分别为59.8◦,61.5◦,64.3◦,67.4◦,68◦.图4(a)∼(e)是浓度分别为10%,20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液SPR 信号强度在不同温度下的实时变化,横坐标为时间,纵坐标为反射光强信号强度,不同颜色的曲线代表液晶溶液在不同温度下的实时光强信号.以图4(a)为例,实验中起始与结束温度相同,均为25◦C,对应曲线的前后两段,从上到下不同颜色的曲线代表温度逐渐增加.在时间间隔为700 s 的区间内得到稳定的光强.可以看出,随着待测样品温度的升高,浓度为10%的5CB 乙醇溶液在共振角附近反射光强信号显示出规律性递减趋势,如27◦C 时光强信号为0.96,41◦C 时光强信号为0.66.实验中可以准确调节测量的时间.对浓度为20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液重复进行上述实验.如图4(b)∼(e)所示,所有实验结果都表明,温度的改变会引起SPR 信号的变化,温度越高,SPR 信号越小.

以上实验平行测试3 次,分析温度与光强信号的关系,不同浓度5CB 乙醇溶液的温度与光强信号的线性拟合结果如图4(f)所示,图中不同颜色的点和线分别代表不同浓度5CB 乙醇溶液下的实验数据和线性拟合结果.从图4(f)可见,任一浓度的液晶乙醇溶液的温度与反射光强度信号有着明显的线性关系.在不同的溶液浓度条件下,温度与反射光强度信号的线性相关系数均在0.98 以上,表明SPR 信号与液晶溶液浓度间有很好的线性关系.因此,本工作设计的系统可以实时监测样品温变过程,并对反应过程实现精确的温度控制,达到了系统的设计目的.

图4 液晶溶液温变过程检测Fig.4 Temperature change process detection liquid crystal solution

4 结束语

本工作基于角度调制型SPR,自行设计开发温控型单元,建立了温控SPR 系统,灵敏度达到497.8◦/RIU,实现了有效的温度控制;采用所设计系统对液晶5CB 乙醇溶液温度变化过程进行检测,结果表明在25∼41◦C 范围内,随着温度的升高,SPR 光强信号减小,在浓度一定的情况下,样品温度与SPR 反射光强度信号有着良好的线性关系.本工作设计的温控SPR 仪器能够在25∼41◦C 范围内实现精准控温,测量结果稳定,可为多种温度敏感的生化反应过程检测提供有力的工具.